最全面LTE物理层总结
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LTE-物理层介绍
下行
上行
DwPTS
GP
UpPTS
12
概述(续)——资源网格(Resource Grid)
• • • •
用来描述每个时隙中传输的信号 每个网格中有 NRBNscRB 个子载波(频域)和 Nsymb个符号(时域) NRB由传输带宽决定，并满足 6 ≤ NRB ≤ 110 资源网格中的每一个元素就叫做资源元素(Resource Element)，它是 上下行传输中的最小资源单位
one s
lot, N symb
ol 个
符号
RB N sc 个子载波, 1
E-UTRAN概述
下行信道 上行信道 硬件实现架构
• • • • • • 下行的时隙结构 同步信号 参考信号 下行物理信道的基本处理过程 各个信道的具体处理过程 OFDM基带信号的生成
15
• 三种下行参考信号
• 小区专用参考信号 • MBSFN参考信号 • UE专用参考信号
• 一个下行天线端口上只能传一个参考信号
• 小区专用参考信号，支持配置1，2，4个天线端口 • MBSFN参考信号，在天线口4上发送 • UE专用参考信号，在天线口5上发送
19
下行传输(续)——参考信号2
• 小区专用参考信号
下行传输
• 物理信号
• LTE的下行传输是基于OFDMA的
• Reference signal • Synchronization signal
• 物理信道
• Physical Downlink Shared Channel, PDSCH • Physical Broadcast Channel, PBCH • Physical Multicast Channel, PMCH
LTE 物理层解析
Extended cyclic prefix DwPTS GP UpPTS
0
3
10
3
8
“D”代表此子帧用于 下行传输，“U” 代表
此子帧用于上行传输， “S”是由DwPTS、GP 和UpPTS组成的特殊 子帧。
1
9
4
8
3 1 OFDM
2
10
3
1 OFDM symbols
9
2 symbols
3
11
2
10
LTE物理信道
下行物理信道
信道类型 PDSCH(Physical Downlink Shared Channel ) PBCH (Physical Broadcast Channel)
功能 承载下行业务数据 承载广播信息
下行Unicast/MBSFN子帧，控制区 域与数据区域进行时分；
下行MBSFN专用载波子帧中不存在 控制区域，即控制区域OFDM符号数 目为0；
上行常规子帧中控制区域与数据区域 进行频分
控制区域
数据区域
下行Unicast/MBSFN子帧
控制区域与数据区域进行 时分
控制区域OFDM符号数目可 配置
PHY
逻辑信道和传输信道的映射功能 HARQ 传输格式选择 UE内部逻辑信道之间优先级调度功能 UE间根据优先级动态调度功能
S1接口
协议栈
用户平面接口位于E-NodeB 和S-GW之间，传输网络层 建立在IP传输之上， UDP/IP之上的GTP-U用来 携带用户平面的PDU。
S1控制平面接口位于ENodeB和MME之间，传输 网络层是利用IP传输，这点 类似于用户平面；为了可靠 的传输信令消息，在IP曾之 上添加了SCTP；应用层的 信令协议为S1-AP。
LTE物理层关键技术及物理层传输方案汇总
LTE物理层关键技术及物理层传输方案汇总LTE（Long Term Evolution）是一种高速无线通信技术，它的物理层关键技术和传输方案为实现高速的无线通信提供了支持。
1. MIMO（Multiple Input Multiple Output）技术：MIMO技术是LTE物理层的核心技术之一，它利用多个天线在发送和接收端同时传输和接收多个数据流，从而提高了系统的容量和数据传输速率。
LTE中使用了2x2 MIMO或4x4 MIMO技术，分别表示在发送和接收端使用2个或4个天线。
2. OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术：OFDM技术是LTE物理层的另一个重要技术，它将频域上的数据划分为多个子载波，每个子载波上都可以传输不同的数据。
这种分频复用的方式可以提高频谱效率和抗干扰能力。
3. RB（Resource Block）分配：在LTE中，物理资源被划分为一组资源块，每个资源块占据12个子载波和一个时隙。
RB分配是根据用户的需求和系统的负载情况进行动态分配，以最大化系统资源的利用效率。
4. HARQ（Hybrid Automatic Repeat Request）技术：HARQ技术是一种自动重传技术，用于提高数据传输的可靠性。
当接收端收到有错误的数据时，它可以向发送端发送一个重传请求，从而实现数据的可靠传输。
5. CQI（Channel Quality Indicator）反馈：CQI反馈是在LTE中用于评估信道质量的指标，它通过接收端测量信道的质量，并将评估结果发送给发送端。
根据CQI反馈，发送端可以选择适当的调制和编码方案，以最大化数据传输速率和系统容量。
6. TDD（Time Division Duplexing）和FDD（Frequency Division Duplexing）：TDD和FDD是两种不同的LTE物理层传输方案。
LTE物理层协议总结——LTE36系列协议总结
27-Sep-2010
终端一致性系列规范
TS36.508
UE一致性测试的通用测试环境
主要描述终端一致性测试公共测试环境的配置，包含小区参数配置以及基本空口消息定义等
23-Sep-2010
TS36.509
UE的特殊一致性测试功能
主要描述了终端为满足一致性测试而支持的特殊功能定义，包括数据回环测试功能等
SPECIFICATION WITHDRAWN
TR36.804
E-UTRA；基站（BS）无线电传输和接收
SPECIFICATION WITHDRAWN
TR36.805
E-UTRA；下一代网络的最小化驱动测试
36.805协议主要用于捕捉在下一代网络驱车测试的最小化可行性研究的内容
21-Dec-2009
复用和信道编码
主要描述了传输信道和控制信道数据的处理，主要包括：复用技术，信道编码方案，第一层/第二层控制信息的编码、交织和速率匹配过程
17-Sep-2010
TS36.213
物理信道过程
定义了FDD和TDD E-UTRA系统的物理过程的特性，主要包括：同步过程（包括小区搜索和定时同步）；功率控制过程；随机接入过程；物理下行共享信道相关过程（CQI报告和MIMO反馈）；物理上行共享信道相关过程（UE探测和HARQ ACK/NACK检测）；物理下行共享控制信道过程（包括共享信道分配）；物理多点传送相关过程
主要是M3接口的M3应用协议控制平面信令，包括M3AP业务、功能、过程以及消息描述
27-Sep-2010
TS36.445
M1数据传输
主要是M1接口的用户平面传输承载，用户平面协议栈及功能
14-Jun-2010
TS36.446
终端一致性系列规范
TS36.508
UE一致性测试的通用测试环境
主要描述终端一致性测试公共测试环境的配置，包含小区参数配置以及基本空口消息定义等
23-Sep-2010
TS36.509
UE的特殊一致性测试功能
主要描述了终端为满足一致性测试而支持的特殊功能定义，包括数据回环测试功能等
SPECIFICATION WITHDRAWN
TR36.804
E-UTRA；基站（BS）无线电传输和接收
SPECIFICATION WITHDRAWN
TR36.805
E-UTRA；下一代网络的最小化驱动测试
36.805协议主要用于捕捉在下一代网络驱车测试的最小化可行性研究的内容
21-Dec-2009
复用和信道编码
主要描述了传输信道和控制信道数据的处理，主要包括：复用技术，信道编码方案，第一层/第二层控制信息的编码、交织和速率匹配过程
17-Sep-2010
TS36.213
物理信道过程
定义了FDD和TDD E-UTRA系统的物理过程的特性，主要包括：同步过程（包括小区搜索和定时同步）；功率控制过程；随机接入过程；物理下行共享信道相关过程（CQI报告和MIMO反馈）；物理上行共享信道相关过程（UE探测和HARQ ACK/NACK检测）；物理下行共享控制信道过程（包括共享信道分配）；物理多点传送相关过程
主要是M3接口的M3应用协议控制平面信令，包括M3AP业务、功能、过程以及消息描述
27-Sep-2010
TS36.445
M1数据传输
主要是M1接口的用户平面传输承载，用户平面协议栈及功能
14-Jun-2010
TS36.446
LTE物理层介绍
• 高阶调制的缺点：越是高性能（速率高）的调制方式，其对信号质 量（信噪比）的要求也越高
Page11
AMC的基本原理
• 基于信道质量的信 息反馈，选择最合 适的调制方式，数 据块大小和数据速 率
– 好的信道条件 – 减少 冗余编码，甚至不需 要冗余编码
– 坏的信道条件 – 增加 更多冗余编码
Page12
空口速率提升最后一招－增大带宽
制式
GSM EDGE
上下行 时隙配比
/
调制 方式
8PSK
多天线技术
/
TD HSDPA
WCDMA HSPA
WCDMA HSPA+
TD - LTE
2:4
16QAM 智能天线
/
16QAM
/
/
64QAM 2×2MIMO
2:2
64QAM 2×2MIMO
TD - LTE LTE - A (4G)
时隙级 快速调度
OFDMA
调制 解调
射频 收发
空口速率提升技术之一： 高阶调制和AMC（自适应调制编码）
Page9
调制的用途
• 用途1：把需要传递的信息送上射频信道 • 用途2：提高空中接口数据业务能力
Page10
空口速率提升技术－高阶调制
• 高阶调制的优点：TD - LTE可以采用64QAM调制方式，比TD - SCDMA 采用的16QAM速率提升50％
结合复用和智能天线技术，进行多路波束赋形发送，既提 高用户信号强度，又提高用户的峰值和均值速率
应用场景
无法布放双通道室分系统 的室内站 信道质量不好时，如小区 边缘 信道质量高且空间独立性 强时 信道质量高且空间独立性 强时。终端静止时性能好
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AMC的基本原理
• 基于信道质量的信 息反馈，选择最合 适的调制方式，数 据块大小和数据速 率
– 好的信道条件 – 减少 冗余编码，甚至不需 要冗余编码
– 坏的信道条件 – 增加 更多冗余编码
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空口速率提升最后一招－增大带宽
制式
GSM EDGE
上下行 时隙配比
/
调制 方式
8PSK
多天线技术
/
TD HSDPA
WCDMA HSPA
WCDMA HSPA+
TD - LTE
2:4
16QAM 智能天线
/
16QAM
/
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64QAM 2×2MIMO
2:2
64QAM 2×2MIMO
TD - LTE LTE - A (4G)
时隙级 快速调度
OFDMA
调制 解调
射频 收发
空口速率提升技术之一： 高阶调制和AMC（自适应调制编码）
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调制的用途
• 用途1：把需要传递的信息送上射频信道 • 用途2：提高空中接口数据业务能力
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空口速率提升技术－高阶调制
• 高阶调制的优点：TD - LTE可以采用64QAM调制方式，比TD - SCDMA 采用的16QAM速率提升50％
结合复用和智能天线技术，进行多路波束赋形发送，既提 高用户信号强度，又提高用户的峰值和均值速率
应用场景
无法布放双通道室分系统 的室内站 信道质量不好时，如小区 边缘 信道质量高且空间独立性 强时 信道质量高且空间独立性 强时。终端静止时性能好
LTE的物理层技术-OFDM
LTE的关键物理层技术LTE的关键物理层技术主要有：正交频分的多载波传输（OFDM）、多入多出（MIMO）、高阶调制（LTE最高64QAM）。
OFDM的特点正交频分传输是一种多载波传输技术，整个传输信号由很多子载波组成，各子载波之间互为正交（而传统的频分复用技术的各载波是不正交），来避免子载波之间的互相干扰。
与传统的频分复用相比，正交频分复用技术使得子载波可以排列更紧密，频谱效率更高。
（CDMA系统中的各码道之间也是互相正交的。
正交信号之间的互相干扰是可以消除的）OFDM的作用OFDM的引入主要是为了抗信道衰弱。
无线信道由于信号在传输过程中的各种反射、折射、多谱LE频移，使接收到的信号的幅度和相位产生剧烈的变化，就会产生严重的衰弱现象。
在同样的衰弱情况下，较窄的信道带宽，在整个传输带宽内，它的衰弱可能是比较一致的，称为平坦衰落（从时域的角度看，也称为慢衰落）；而较宽的信道带宽，在整个传输带宽内，它的衰弱可能是变化的，称为不平坦衰落（从时域的角度看，也称为快衰落）。
平坦衰落由于在传输信道带宽内信号变化是一致的，在产生衰落时可以用较简单的均衡技术来恢复；而不平坦衰落导致的传输失真的恢复比较困难。
由于LTE要求的传输速率相当高，它的信道带宽必然比较宽（20M，而LTE－A 可以达到100M）；并且，LTE系统需要支持这种使用环境，最高移动速度达到500公里每小时（LTE －TDD支持的最高速度是300公里）（衰落最严重的情况是市区内高速运动）。
因此，LTE系统的信道衰落比较严重（在高速率的传输系统中，OFDM已成为一种趋势）。
OFDM在抗多径衰落方面有着先天的优势。
OFDM把较宽的带宽分割成很多子载波（LTE中子载波带宽15K），因此，在每个子载波内，衰落是平坦的。
这样，就可以通过简单的均衡技术来达到较好的效果。
OFDM技术的主要特点∙1．高速数据先经过串并转换，再调制到各子载波。
这样子载波上的码速率就很低，可以有效降低码间串扰。
最全面LTE物理层总结
9 | UMTS_Trans_Intro | Oct 2007
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物理层相关参数
子帧格式：LTE支持两种基本的工作模式，即频分双工（FDD）和时分双工（TDD）； 支持两种不同的无线帧结构，即Type1和Type2帧结构，帧长均为10ms。前者适用于 FDD工作模式，后者适用于TDD
Physical Layer Introduction
Zhu Xiaoqiang 2011.3.7
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目录 LTE的性能需求指标 与LTE物理层相关的协议编号及内容
物理信道的种类
传输信道与物理信道的映射 物理层相关参数 物理信道结构
物理信道结构
16 | UMTS_Trans_Intro | Oct 2007
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上行共享信道PUSCH 信道功能：物理上行共享信道，即主要传输UE的数据和控制信息的物理信道， 既可以传输数据也可复用传输控制信息包括(CQI and/or PMI), HARQ-ACK 和 RI(rank indication)秩信息 PUSCH系统结构 信道编码：加循环校验冗余CRC、码块分段、加CRC校验、turbo编码、速率 匹配、码块级联、复用、信道交织过程 基带SC-FDMA处理：加扰、调制映射、传输与编码（DFT）、RE映射、SCFDMA信号产生
5 | UMTS_Trans_Intro | Oct 2007
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LTE物理层介绍_OFDM
CP长度的考虑因素：频谱效率/符号间干扰和子载波间干扰 越短越好：越长，CP开销越大，系统频谱效率越低 越长越好：可以避免符号间干扰和子载波间干扰
主要参数——循环前缀
CP 符号 66.67us 4.6875us 常规CP+常规符号 用于常规小区单播系统 符号 66.67us 16.67us 扩展CP+常规符号 用于大小区单播或MBMS系统 符号 133.33us 超长扩展CP+独立载波MBMS符号 用于独立载波MBMS系统
背景知识——正交
• 以 cos 2t 乘 cos 2t 为例，相乘再在周期内积分， 相当于求下图黄色部分的面积，面积大于0。
背景知识——正交
• 以 cos 2t乘 cos 3t 为例，相乘再在周期内积分， 相当于求下图黄色部分的面积，面积为0。
背景知识——正交
• IQ调制与接调：
• 解调时，I路乘上cos再积分得到a。
主要参数——参数设计
• 4 根据预期达到的比特速率和符号长度计算一个 OFDM符号需传输的比特数： n=Rb×Ts=25×4.8=120bit。 • 5 根据一个OFDM符号需要传输的比特数和给定带宽 确定调制编码方式和子载波数： • ¾编码率、QPSK调制时，1个RE需传输1.5个比特， 传120个比特需80个子载波，占用带宽为 80×250=20MHz，超过了限定带宽18M。 • 1/2编码率、16QAM调制时，1个RE需传输2个比特， 传120个比特需60个子载波，占用带宽为 60×250=15MHz，满足限定带宽18M要求。
背景知识——频分复用
• 频分复用(Frequency Division Multiplexing)：将用于传输信 道的总带宽划分成若干个子带，每个子带传输一路信号。
主要参数——循环前缀
CP 符号 66.67us 4.6875us 常规CP+常规符号 用于常规小区单播系统 符号 66.67us 16.67us 扩展CP+常规符号 用于大小区单播或MBMS系统 符号 133.33us 超长扩展CP+独立载波MBMS符号 用于独立载波MBMS系统
背景知识——正交
• 以 cos 2t 乘 cos 2t 为例，相乘再在周期内积分， 相当于求下图黄色部分的面积，面积大于0。
背景知识——正交
• 以 cos 2t乘 cos 3t 为例，相乘再在周期内积分， 相当于求下图黄色部分的面积，面积为0。
背景知识——正交
• IQ调制与接调：
• 解调时，I路乘上cos再积分得到a。
主要参数——参数设计
• 4 根据预期达到的比特速率和符号长度计算一个 OFDM符号需传输的比特数： n=Rb×Ts=25×4.8=120bit。 • 5 根据一个OFDM符号需要传输的比特数和给定带宽 确定调制编码方式和子载波数： • ¾编码率、QPSK调制时，1个RE需传输1.5个比特， 传120个比特需80个子载波，占用带宽为 80×250=20MHz，超过了限定带宽18M。 • 1/2编码率、16QAM调制时，1个RE需传输2个比特， 传120个比特需60个子载波，占用带宽为 60×250=15MHz，满足限定带宽18M要求。
背景知识——频分复用
• 频分复用(Frequency Division Multiplexing)：将用于传输信 道的总带宽划分成若干个子带，每个子带传输一路信号。
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每个小区在5MHz带宽下最少支持200个用户
实现合理的终端复杂度、成本和耗电 对低速移动优化系统，同时支持高速移动 以尽可能相似的技术同时支持成对（paired）和非成对（unpaired）频段
2 | UMTS_Trans_Intro | Oct 2007
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5 | UMTS_Trans_Intro | Oct 2007
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传输信道与物理信道的映射
上行传输信道与物理层信道的映射关系
传信道信道/ 控制信息 上行共享信道 UL-SCH
物理信道 物理上行共享信道 PUSCH
随机接入信道 RACH
上行控制信息 UCI
物理随机接入信道PRACH
PUCCH、PUSCH
6 | UMTS_Trans_Intro | Oct 2007
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物理层相关参数
基本传输和多址技术：上行单载波频分多址SC-FDMA，下行正交频分多址OFDMA 双工方式：TDD，FDD（全双工和半双工FDD）
4 | UMTS_Trans_Intro | Oct 2007
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传输信道与物理信道的映射
下行传输信道与物理层信道的映射关系 传输信道 下行共享信道 DL-SCH 寻呼信道PCH 广播信道 BCH 多播信道MCH 控制信息 控制格式指示CFI HARQ指示 HI 下行控制信息 DCI 物理信道 物理下行共享信道PDSCH 物理下行共享信道PDSCH 物理广播信道PBCH 物理多播信道PMCH 物理信道 物理控制格式指示信道PCFICH 物理HARQ指示信道 PHICH 物理下行控制信息信道PDCCH
目录 LTE的性能需求指标 与LTE物理层相关的协议编号及内容
物理信道的种类
传输信道与物理信道的映射 物理层相关参数 物理信道结构
参考信号和信道估计功能
LTE物理层过程
1 | UMTS_Trans_Intro | Oct 2007
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与LTE物理层相关的协议编号及内容 TS 36．201――ＬＴＥ物理层―总体描述 TS 36．211――物理信道、参考信号、帧结构
TS 36．212――信道编码、交织、速率匹配、复用
TS 36．213――随机接入等物理层的工作过程 TS 36．214――物理层的测量技术 TS 36．302――物理层向高层提供的数据传输服务
PDCCH：下行物理控制信道RQ信 息，位于子帧的前n个OFDM符号，n<=3
上行物理信道 PUSCH：物理上行共享信道 PRACH：物理随机接入信道，获取小区接入的必要信息进行时间同步和小区搜索等 PUCCH：物理上行控制信道，UE用于发送ACK/NAK，CQI，SR，RI信息
7 | UMTS_Trans_Intro | Oct 2007
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物理层相关参数
CP的长度是由所要求的系统容量、信道相关时间和FFT复杂度（限制OFDM符号周期）共同 决定的。 常规小区的单播系统采用 CP 4.6875us和６６.６７ｕｓ的符号，在一个子帧的７个符 号中，前６个符号的ＣＰ均为4.6875us，最后一个符号的ＣＰ为５.２０８ｕｓ 大小区的单播系统或单播／ＭＢＭＳ混合载波的E-MBMS系统采用扩展CP 16.67us和符 号６６.７５ｕｓ ＤＣ－ＭＢＭＳ系统采用３３.３３ＣＰ和１３３.３３ｕｓ的符号 调制方式及AMC 下行 BPSK QPSK 16QAM 64QAM, 上行 QPSK,16QAM,64QAM 信道编码：Turbo 、卷积码 多天线技术 下行 预编码SU-MIMO、预编码MU-MIMO、波束赋形、发射分集 上行 MU-MIMO、天线选择
3 | UMTS_Trans_Intro | Oct 2007
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物理信道的种类
下行物理信道 PDSCH：下行物理共享信道，承载下行数据传输、SIB和寻呼信息 PBCH：物理广播信道，传递UE接入系统所必需的系统信息，如带宽、天线数目和小区 ID等 PMCH：物理多播信道，传递MBMS（单频网多播和广播）相关的数据 PCFICH：物理控制格式指示信道，表示一个子帧中用于PDCCH的OFDM符号的数量 PHICH：物理HARQ指示信道， 用于eNodB向UE反馈和PUSCH相关的ACK/NACK信息
帧结构：无线帧长10ms，分10个子帧，长1ms，每个子帧分为两个时隙（TDD方式中包含3个 特殊时隙，共1ms）
子载波间隔：15KHz或7.5KHz。取决于频谱效率和抗频偏能力的折中，主要考虑多普勒频移 。在单播系统中采用15kHZ的子载波间隔，相应的符号长度为66.75us(不包括CP)，在载波 MBMS（Dedicated Carrier MBMS，ＤＣ－ＭＢＭＳ）中，由于是低速移动，故为７.５kHz 的子载波，相应符号长度为１３３.３３ｕｓ（不包括ＣＰ），一个１ｍｓ子帧包含六个Ｏ ＦＤＭ符号 资源分配方式：基本资源块RB大小为12个宽度15KHz或24个宽度为7.5KHz的子载波，180KHz ，下行支持集中和分散分配，上行只支持集中分配。
LTE的需求指标 支持1.4MHz-20MHz带宽 峰值数据率：上行50Mbps，下行100Mbps。频谱效率达到3GPP R6的2-4倍
提高小区边界的比特率，保证业务的一致性
用户面延时：零负载（单用户、单数据流）、小ＩＰ分组条件下单向时延小于 5ms 控制面延时：从驻留状态转换到激活状态的延迟小于1OOms